摘要：永磁交流伺服電機有響應快、功率密度大、效率高、運行平穩等特點，所以在自動化應用等行業得到了廣泛的應用。但是筆者在十多年的客戶調研過程中，發現很多工程師對交流伺服電機的幾個重點知識都有些困惑，如電機繞組相序與編碼器信號相序的判別，電機關鍵參數KT和KE的意義及如何在工程計算中有效利用這兩個參數，電機功率等。本文從工程應用的角度出發對以上問題進行詳盡闡述。
關鍵詞：永磁交流伺服電機, 永磁同步電機, 電機相序，轉矩常數,反電勢常數，電機功率
AC Servo Motor
Huang Jie-Jian,
(ShenZhen Leadshine Company Ltd. ShenZhen 518052, GuangDong, China)
Abstract: With such performances as fast response, higher power density, higher efficiency, and smooth running, PMSM servo motors have been widely used on kinds of machines. However, we found that many application engineers are bewildered on such items as motor phasing, torque constant, Back EMF constant, motor power etc. This article mainly introduces the relevant knowledge to answer the above mentioned questions.
Key words: PMSM SERVO MOTOR, PMSM, MOTOR PHASING, TORQUE CONSTANT, BACK EMF CONSTANT, MOTOR POWER
0 引言
永磁交流伺服電機繞組相序與編碼器信號相序如何判別，電機關鍵參數KT和KE的意義及如何在工程計算中有效利用這兩個參數，如何理解電機功率，工程應用上如何利用這些參數，本文對這些問題都進行了論述。
1 永磁交流伺服電機的基本原理
PMSM的定子繞組結構為三相對稱繞組，轉子結構為表面貼裝式永磁結構或內嵌式永磁結構，其繞組反電動勢為正弦波，當給電機定子繞組通入三相對稱的正弦波電流時，電機將產生連續的電磁轉矩。PMSM的轉子永磁體在工作氣隙內產生接近正弦波的磁場，所以轉子轉動時就在電樞繞組上感生接近正弦波的反電動勢。PMSM的三相電樞繞組與180導通型半橋逆變電路相連接，驅動電壓是經由空間矢量脈寬調制的脈沖電壓。電動機運行時，三相電樞繞組同時接通，在工作氣隙內產生“連續式”圓形旋轉磁場。為了實現伺服控制，PMSM的位置傳感器可以采用旋轉變壓器或光電編碼器，目前工業應用較多的是增量式光電編碼器。伺服驅動的編碼器一般需要兩組信號：
1）A,B,Z信號，其中A,B兩路脈沖相位差90，這樣可以方便的判斷電機轉向；Z信號，則每轉輸出一個脈沖，用于基準點定位。（目前雷賽伺服不需要Z信號）
2）U,V,W信號：三路脈沖信號彼此相位差120，每轉所發出的脈沖個數與電機極對數一致。根據U,V,W信號的高低電平關系就可以判斷電動機轉子現在的位置。
在電動機啟動前，根據U,V,W三路脈沖信號電平高低關系就可以估算出電動機磁極現在的位置。一旦電機旋轉起來，A,B信號則可精確檢測出轉子位置角度。
目前的主流PMSM伺服驅動基本都采用矢量控制技術，系統框圖如下。
三相PMSM矢量控制伺服系統框圖
2 永磁交流伺服電機的相序如何定義或判別
在PMSM伺服電機的生產過程中，需有一道重要裝配調試工序來確保電機三相繞組反電動勢與編碼器信號U,V,W的合適相位關系，具體解釋如以下3個圖。
三相繞組反電勢波形1：
三相繞組反電勢波形2：
三相U,V,W編碼器信號波形：
編碼器信號與線電勢的相位關系:
3 永磁交流伺服電機的KT和KE
3.1 永磁電機的反電動勢常數KE
只要電機在轉動，必然會有線圈切割磁力線，所以會有反電動勢產生。對于具體的某型號電機，其轉動速度越快，則產生的反電動勢電壓越高。也即反電動勢電壓與電機轉速成正比。反電動勢常數KE 就是用來表示這種比例關系的。
KE =E/N （式中E為反電動勢，單位為V；N為電機轉速:單位為KRPM）。
例：用對拖的方法帶動某電機以3000RPM的速度旋轉，測得該電機的A相與B相之間的電壓為30V，則其KE 計算方法如下：
KE =E/N=30V/3KRPM=10V/KRPM
3.2永磁直流電機的轉矩常數KT
對于具體的某型號電機，通過電機繞組電流越大，則電機軸產生的轉矩越大。也即電機的轉矩與電機繞組電流成正比。轉矩常數KT 就用來表示電機的轉矩與通過電機繞組電流之比。
KT = T / I （式中T為轉矩:NM， I為電流:A）
例：測得某電機軸的輸出轉矩為0.35NM，測得此時的繞組電流為5A，則其KT計算方法如下：
KT = T / I =0.35/5=0.07NM/A
3.3 永磁交流伺服電機的KT和KE的關系
永磁直流電機的反電動勢常數KE和轉矩常數KT的關系：
當以角速度(1/s)單位進行計算時：
Ke= w *P*φ/π=Kt
上式中：
w—每極總計算導體數
B—計算直徑柱面上的磁感應強度
P—極對數
φ—每極磁通………………φ=LτB
所以你要知道，其實對于具體某個電機，你只要知道其反電動勢常數KE和轉矩常數KT這兩個參數的任何一個，則另外一個就知道了。一個重要公式：
KT= KE÷104.7 （式中KT的單位為Nm/A；KE單位為V/KRPM）
例如:某電機的KE=9.39V/KRPM,請問該電機的是KT多大？簡易工程計算方法如下：
KT= KE÷104.7=9.39÷104.7=0.0897 Nm/A
4 永磁交流伺服電機的轉子慣量
伺服驅動器對于伺服電機所帶的負載慣量的要求是，適用負載慣量為小于電機轉子慣量的5倍，所以，較大的電機轉子慣量，可帶較大的負載慣量，但電機的機械時間常數會增大，電機對速度的響應會降低；較小的電機轉子慣量，電機的機械時間常數小，電機對速度的響應反應快，但所容許電機所帶的負載慣量不能大。
5永磁交流伺服電機的轉矩和功率
永磁交流伺服電機的額定轉矩是指電機能夠連續安全輸出的轉矩大小，在環境溫度為25 ºC時，它會使電機的繞組溫度達到最大允許值。電機的額定功率，是指電機在額定轉速，額定轉矩下，所輸出的機械功率。 電機功率的計算公式：
P = N*T ÷9549.3
(式中P: 功率，單位為kW; N電機額定轉速，單位為RPM; T: 額定轉矩，單位為Nm)。
例如：某電機的功率為200W,額定轉速為3000RPM,請問其額定轉矩為多大？
由以上公式得：T=(9549.3 * P) ÷N=((9549.3 *0.2) ÷3000=0.64 Nm
由于伺服電機是閉環控制運行，在Id=0的控制方式下（矢量控制），電機轉矩的大小與供給電機電流的大小成正比。電機的轉矩輸出隨負載的變化而變化，當負載恒定時，伺服電機的轉矩輸出也為恒定。伺服電機可短時間的過載運行，過載倍數由驅動器輸出的過載電流決定，過載時間由驅動器的容量及伺服電機的溫升來決定。一般的過載倍數為3倍。
6 永磁交流伺服電機的絕緣等級
電機絕緣等級：表示電機所用的絕緣材料及絕緣結構，允許工作的溫度。
電機絕緣結構耐熱等級分為5等，如下表：
PMSM伺服電機的絕緣等級一般為B或F級。
7 永磁交流伺服電機的防護等級
防護等級：電機的防護等級是用IP及后二位數字來標志的。
第一位數字表示電機對固體的防護程度，
第二位數字表示電機對液體的防護程度。
二位數字的含義如下表所示：
IP后面第一位數字的含義
IP后面第二位數字的含義
